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1、自动控制原理课程设计题 目： 控制系统的设计与仿真 学院名称： 工学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 2012级工业电气 指导教师： 王淑玉 姓 名： 侯盛楠 学 号: 2012106020 2014年 11月25 日自动控制原理课程设计指导书课程名称：自动控制原理学时数：2周学分数：开课院、系（部）、教研室：工学院 电气工程及其自动化教研室执笔人： 王淑玉编写时间： 2014.11.08一、 设计目的1 通过课程设计进一步掌握自动控制原理课程的有关知识，加深对所学内容的理解，提高解决实际问题的能力。2 理解在自动控制系统中对不同的系统选用不同的校正方式，以保证得到最佳的系统。3 理
2、解相角裕度，稳态误差，剪切频率等参数的含义。4 学习MATLAB在自动控制中的应用，会利用MATLAB提供的函数求出所需要得到的实验结果。5 从总体上把握对系统进行校正的思路，能够将理论运用于实际。二、设计任务1.已知控制系统固有传递函数如下： 2.性能指标要求：（1）超调量 （2）过渡过程时间 （3） 三、任务要求1 能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。2 能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。3 能灵活应用MATLAB分析系统的性能。四、设计成果要求设计论文六、物资准备1.到图书馆、物理系资料室查阅相关资料；2.到实验室MATLAB或SMULINK辅助设计。七、 主要图式
3、、表式电路图、表、公式要规范，符合设计要求八、 时间安排2014.11.10 设计动员，发放设计任务书2014.11.12-2014.11.19 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2014.11.20-2014.11.23 确定设计方案、实验、仿真、编写设计说明书2014.11.24-2014.11.26 完成设计，交指导教师审阅2014.11.28 成绩评定九、考核内容与方式考核的内容包括：学习态度；技术水平与实际能力；论文(计算书、图纸)撰写质量；创新性；采取审定与答辩相结合的方式，成绩评定按百分制记分。十、参考书目1 王万良.自动控制原理.高等教育出版社.2008年2 胡寿松.自动控制原理
4、.科学出版社.2000年3 胡寿松.自动控制原理同步辅导及习题全解.中国矿业大学出版社.2006年4 薛定宇.控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996年5 潘丰.自动控制原理.中国林业出版社.2006年6 曹戈. MATLAB教材及实训.机械工业出版社.2008年7 楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计.西安电子科技大学出版社.1999年8 张志涌.精通MATLAB6.5.上海交通大学出版社.2002年9 龚剑.MATLAB入门与提高.清华大学出版社.2003年10谢克明主编. 自动控制原理（第二版）.北京：电子工业出版社. 2009牡丹江师范学院本科学生
5、课程设计任务书课程名称：自动控制原理课程设计课程设计题目控制系统的设计与仿真院、系工学院专业电气工程及其自动化年级12工业电气已知参数和设计要求：1.已知控制系统固有传递函数如下： 2.性能指标要求：（1）超调量 （2）过渡过程时间 （3） 1、参数要求：1）能用MATLAB解复杂的自动控制理论题目。2）能用MATLAB设计控制系统以满足具体的性能指标。3）能灵活应用MATLAB分析系统的性能。2、设计要求：1)详细设计（包括的图形有：校正结构图，校正前系统的Bode图，校正装置的2）Bode图，校正后系统的Bode图）；3)用MATLAB编程代码及运行结果（包括图形、运算结果）；4)校正前后
6、系统的单位阶跃响应图。学生应完成的工作：1、单相负反馈系统的设计,进行校正，到实验室MATLAB或SMULINK辅助设计设计2、完成设计报告目前资料收集情况（含指定参考资料）：1 王万良.自动控制原理.高等教育出版社.2008年2 胡寿松.自动控制原理.科学出版社.2000年3 胡寿松.自动控制原理同步辅导及习题全解.中国矿业大学出版社.2006年4 薛定宇.控制系统计算机辅助设计-MATLAB语言及应用. 清华大学出版社.1996年5 潘丰.自动控制原理.中国林业出版社.2006年6 曹戈. MATLAB教材及实训.机械工业出版社.2008年7 楼顺天.基于MATLAB的系统分析与设计.西安
7、电子科技大学出版社.1999年8 张志涌.精通MATLAB6.5.上海交通大学出版社.2002年9 龚剑.MATLAB入门与提高.清华大学出版社.2003年10谢克明主编. 自动控制原理（第二版）.北京：电子工业出版社. 2009课程设计的工作计划：2014.11.10 设计动员，发放设计任务书2014.11.12-2012.11.19 查阅资料、拟定设计程序和进度计划2014.11.20-2012.11.23 确定设计方案、实验、仿真、编写设计说明书2014.11.24-2012.11.26 完成设计，交指导教师审阅2014.11.28 成绩评定任务下达日期 2014 年11 月 10 日
8、完成日期 2014 年 11月 24 日指导老师 （签名） 学生 （签名）目录摘要1关键字1前言21 题目要求与分析21.1题目要求21.2 题目分析22 人工设计32.1 校正方法的选择32.2 串联迟后超前校正42.2.1 串联迟后校正42.2.2 串联超前校正52.2.3 验算63 计算机辅助设计63.1 对被控对象仿真63.2 对校正以后的系统仿真73.3对校正后闭环系统仿真84 校正装置电路图104.1 串联装置原理图104.2 串联迟后环节装置电路104.3 串联超前环节装置电路115 设计总结126 心得体会13参考文献14控制系统的设计与仿真摘要：在本设计中，通过一些原理、方案
9、，使系统能够达到一定的要求。并用MATLAB软件验证自己的计算，从而进行校正、检验。可见，不仅要能够掌握自动控制原理的一些基本知识，还要有熟练运用MATLAB软件的能力，因此在做设计之前要查找充分的资料，并在设计中也勤查资料，只有这样才能全面的、准确的完成课程设计，并能运用MATLAB解决问题关键字：开环传递函数，串联迟后校正，串联超前校正，系统仿真，装置电路前言在工程和科学技术的发展过程中，自动控制技术起着愈来愈重要的作用。所谓自动控制，是指在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的工作状态或参数自动地按照特定规律运行。自动控制的基础是反馈理论和线性系统理论，并综
10、合应用了网络理论和通信理论的相关知识。因此，自动控制并不从属于任一学科，而是在航天、航船、化工、机械、环境、电气以及核动力等工程学科中都有着广泛的应用。随着社会的发展，自动控制技术正在逐步应用于生物、医学、商业和社会管理等领域。1 题目要求与分析1.1题目要求1.已知控制系统固有传递函数如下： 2.性能指标要求：（1）超调量 （2）过渡过程时间 （3） 1.2 题目分析用MALAB绘制原传递函数的单位阶跃响应图，如图1：图1 原传递函数单位阶跃响应显然，系统发散，不满足题目要求的超调量及调整时间的要求。需对原传递函数进行校正。2 人工设计2.1 校正方法的选择将题目中对闭环系统的动态过程要求转
11、化开环频率特性要求：由 得 由 取 所以得 手工做出开环传递函数的bode图，如附录图1系统校正前的bode图。由图可知，原开环传递函数的剪切频率为 由 有 知 由上面的计算知 剪切频率为，角裕度为，不满足设计要求。若采用串联超前校正，由于未校正时系统不稳定，且截止频率大于要求值。在这种情况下，采用串联超前校正是无效的。若采用串联迟后校正，按式求取满足相角裕度的剪切频率，则有 即有 解得 若以作为剪切频率，则不能满足的设计指标。也就是说，只用串联迟后校正不能同时满足相角裕度和剪切频率的设计要求。考虑到串联超前校正可以有效地增加相较裕度，所以，首先采用串联迟后校正，使系统的剪切频率满足或接近于近
12、似满足设计要求。在此基础上，再采用串联超前校正，使相角裕度满足设计要求。2.2 串联迟后超前校正2.2.1 串联迟后校正考虑到串联超前校正时，会使原系统的剪切频率增大，所以在做串联迟后校正时可以使剪切频率略小于设计要求。首先，取，做串联迟后校正。当时，代入所以 由 解得串联迟后校正参数 。取所以 即迟后环节为 2.2.2 串联超前校正由以上计算得串联迟后校正以后的开环传递函数为 做出串联迟后校正以后的开环频率特性，如图2所示。图2 串联迟后校正的后的开环传递函数bode图由图2知，串联迟后校正以后，剪切频率为，相角裕度为 。对串联迟后校正以后的系统做串联超前校正。先求出串联超前校正应提供的相角
13、增量：由图知串联超前校正前系统对数相频特性在剪切频率附近下降的斜率非常大，所以上式中取由 有 在图 2.2.21 中找到纵坐标为-6.63时所对应的频率于是有 所以超前环节为最后得到迟后超前校正后的开环传递函数。2.2.3 验算手工在对数坐标纸上画出校正以后系统的频率特性bode图（附录图2系统校正后的bode图），由图知，校正以后系统的剪切频率为 将 代入 有: 所以相角裕度为 ，均满足设计要求。3 计算机辅助设计3.1 对被控对象仿真（1）被控对象开环Simulink模型图如图3所示。 图3 原开环传递函数Simulink模型图（2）被控对象开环Bode图如图2所示。图4 原开环传递函数Bode图由仿真结果知，原系统开环传递函数剪切频率为，相角裕度为，不符合设计要求。3.2 对校正以后的系统仿真（
